第十章核酸代谢要求掌握：遗传信息传递的中心法则，原核细胞DNA复制及RNA转录 的酶、有关概念和基本过程。熟悉：DNA半保留复制的实验证据；逆转 录酶活性和逆转录的应用。了解：核苷酸分解代谢的终产物、生物合成 的方式。原核生物与真核生物复制、转录的区别。重点内容：遗传信息传递的中心法则，原核细胞DNA半保留复制，RNA 转录。难点内容：DNA复制的过程，原核生物RNA转录的相关概念O第一节核苷酸的代谢一、嘌吟核苷酸的合成代谢体内嘌吟核苷酸的合成有两条途径。第一，由简单的化合物合成嘌吟环 的途径，称从头合成(de novosynthesis)途径。第二，利用体内游离的嘌吟 或嘌吟核苷，经过简单的反应过程，合成嘌吟核苷酸，称为补救合成(或重 新利用)(salvage pathway)途径。肝细胞及多数细胞以从头合成为主，而脑 组织和骨髓则以补救合成为主。(一) 嘌吟核苷酸的从头合成原料核素示踪实验证明嘌吟环是由一些简单化合物合成的，如图10-1所示， 甘氨酸提供C-4、C-5及N-7；谷氨酰胺提供N-3、N-9; N10-甲酰四氢叶酸提 供C-2, N5, N10-甲炔四氢叶酸提供C-8;CO2提供C-6。磷酸戊糖则来自糖的磷酸戊糖旁路，当活化为5-磷酸核糖-1-焦磷酸 (PRPP)后，可以接受碱基成为核苷酸。其活化的反应式如下。(2)过程合成的主要特点是在磷酸核糖的基础上把一些简单的原料逐步接上去 而成嘌吟环。而且首先合成的是次黄嘌吟核苷酸(IMP)，由后者再转变为 腺嘌吟核苷酸(AMP )和鸟嘌吟核苷酸(GMP)1. IMP的合成2. AMP和GMP的合成需要说明的是，AMP和GMP是不能直接转换的，但AMP可在腺苷酸脱氨酶催化下脱去氨基，生成IMP,然后再利用IMP合成GMP。作为核酸合成的底物是核苷三磷酸的形式，通过激酶的作用及ATP供 能，AMP和GMP可转变成ATP及GTP。(二) 嘌吟核苷酸的补救合成虽然从头合成途径是嘌吟核苷酸的主要合成途径，但嘌吟核苷酸从头 合成酶系在哺乳动物的某些组织(脑、骨髓)中不存在，细胞只能直接利用 细胞内或饮食中核酸分解代谢产生的嘌吟碱或嘌吟核苷重新合成嘌吟核 苷酸，称为补救合成。补救合成的过程比从头合成简单得多，消耗ATP 少，且可节省一些氨基酸的消耗。有两种酶参与补救合成，腺嘌吟磷酸核 糖转移酶(adenine phosphoribosyl transferase,APRT)和次黄嘌吟一鸟嘌吟磷 酸核糖转移酶(hypoxanthine-guanine phosphoribosyl transferase,HGPRT) o 补救合成同样由PRPP提供磷酸核糖。腺嘌吟核苷通过腺苷激酶(adenosine kinase)的作用可变成AMP而 重新利用。类似地，其他核苷也可由相应的激酶磷酸化得到相应的核苷酸.由于基因缺陷导致HGPRT活性严重不足或完全缺乏，是一种X染色 体连锁的隐性遗传病，称为Lesch-Nyhan综合征或称自毁容貌征，患儿在 二三岁时即开始出现症状，如尿酸过量生成，智力迟钝，甚至自身毁容， 这种患儿很少活到成年。现在科学家正研究将由功能的HGPRT基因，借 助基因工程的方法转移至患者的细胞中，以达到基因治疗的目的。(三) 嘌吟核苷酸合成的调节嘌吟核苷酸的合成受反馈抑制(feedback inhibition)调节。抑制物及 作用部位1. PRPP合成酶：PRPP浓度是从头合成过程的最主要决定因素。PRPP 合成的速度又依赖磷酸戊糖的存在和PRPP合成酶的活性。PRPP合成酶 受嘌吟核苷酸的别构调节。其中，IMP、AMP和GMP可对PRPP合成酶 反馈抑制以调节PRPP的水平。2. 谷氨酰胺磷酸核糖酰胺转移酶：IMP对催化嘌吟核苷酸合成的定向 步骤的酶即谷氨酰胺磷酸核糖酰胺转移酶有反馈抑制，而AMP和GMP 对IMP的反馈抑制有协同作用；PRPP增加可促进谷氨酰胺磷酸核糖酰胺 转移酶活性，加速PRA生成。3.过量AMP会抑制IMP转变成AMP，而过量GMP会抑制IMP转变成 GMP，从而使这两种核苷酸合成速度保持平衡。另外，GTP是AMP合成 时必需的能源，而ATP是GMP合成时必需的能源，这种作用使腺嘌吟核 苷酸和鸟嘌吟核苷酸的合成的以保持平衡。3. 嘌吟核苷酸合成的抗代谢物6-巯基嘌吟（6-mercaptopurine,6MP）,其化学结构与次黄嘌吟相似，只 是后者C-6的羟基被巯基取代。它在体内可变成6-MP核苷酸，可以反馈 抑制PRPP合成酶和谷氨酰胺磷酸核糖酰胺转移酶的活性，也能抑制IMP 转变成AMP和GMP，从而可抑制肿瘤生长。二、嘧啶核昔酸的合成代谢与嘌吟核苷酸一样，体内嘧啶核苷酸的合成亦有两条途径，即从头 合成及补救合成。（一）嘧啶核昔酸的从头合成1、原料核素示踪实验证明，合成嘧啶碱的原料如图10-5。2、过程与嘌吟核苷酸的从头合成不同，嘧啶核苷酸是先合成嘧啶环，然后再与 磷酸核糖相连，形成嘧啶核苷酸。全过程见教材，此过程主要在肝细胞的胞 液中进行。除了二氢乳清酸脱氢酶位于线粒体内膜上外，其余均位于胞液中。（二）嘧啶核昔酸的补救合成由嘧啶磷酸核糖转移酶（pyrimidine phosphoribosyl transferase）催化尿嘧 啶、胸腺嘧啶等，与PRPP合成一磷酸尿嘧啶核苷酸（但不能利用胞嘧啶为 底物）。另外，嘧啶核苷激酶可使相应嘧啶核苷磷酸化成核苷酸。（三）嘧啶核昔酸合成的调节原核生物和真核生物中，从头合成途径所需的酶不同，因而途径所受的 调控也不一样。第一个调节部位在原核生物中，是天冬氨酸氨基甲酰转移酶 （asparate carbamoyl transferase, ACTase），CTP 是其别构抑制剂，ATP 是别构 激活剂。氨甲酰基磷酸合成酶在真核生物及原核生物都是反馈抑制的调控点， 受UTP的抑制，但可被PRPP激活。第二个调节部位是乳清酸脱羧酶处，受 UMP抑制。由于PRPP合成酶是嘧啶与嘌吟两类核苷酸合成过程中共同需要的酶， 它可同时接受嘧啶核苷酸及嘌吟核苷酸的反馈抑制。三、脱氧核糖核昔的生成脱氧核苷酸是由二磷酸核苷还原而成。现知脱氧核苷酸中的脱氧核糖并 非先形成后再合成为脱氧核苷酸，而是在二磷酸核苷(NDP, N代表A、G、U、 C、T等碱基)水平上直接还原，即以氢取代其核糖分子中C-2的羟基而成的， 催化此反应的酶是核糖核苷酸还原酶(ribonucleotide reductase,RR)RR是一种别构酶，由B1和B2两个亚基组成，在B1亚基上有两个结合 部位，一为底物特异性部位，另一为总活性调节部位。此外，B1还含有巯基 (-SH)，供直接还原核糖之用。现知RR从NADPH获得电子时，还需要一 种硫氧化还原蛋白(thioredoxin,T)作为电子载体及硫氧化还原酶(thioredoxin reductase,TR)及其辅基FAD参加。整个过程如图10-8所示。RR的活性受一些别构调节剂的调节。dATP是所有四种底物还原酶的抑 制剂，当dATP结合全总活性部位时，该酶活性降低，反映脱氧核苷酸过剩， ATP能消除此反馈抑制。当dATP或ATP结合至底物特异性部位时，促进嘧 啶核苷酸UDP及CDP的还原。dTTP则促进GDP的还原，及抑制UDP和 CDP的进一步还原。dGTP促进ADP的还原。由此可见RR有多种构象状态， 各具有不同的催化活性，从而为DNA合成提供数量平衡的四种脱氧核苷酸为 底物。若产物不平衡会影响DNA的合成，严重者可导致疾病(见下)。四、脱氧胸腺嘧啶核昔酸的合成首先，dUDP转换为dUMP，有几条途径，一条是在核苷单磷酸激酶催化 下，dUDP与ADP反应生成dUMP和ATP；另一条途径是dUDP先形成dUTP， 然后水解生成dUMP和PPi。dCMP经脱氨也可以形成dUMP。然后，dTMP是由dUMP的C-5甲基化而形成的。催化此反应的酶是胸 腺嘧啶核苷酸合酶(thymidylate synthase)。甲基由N5,N10甲炔FH4提供。反应 中形成的fh2须经二氢叶酸还原酶的作用变成fh4，才能重新载带甲基。DNA合成的底物为四种dNTP，一磷酸或二磷酸脱氧核苷可由激酶的催 化和ATP供能而形成三磷酸脱氧核苷。五、核苷酸的分解代谢(一) 嘌吟核苜酸的分解代谢AMP在腺苷酸脱氨酶作用下生成IMP，再在核苷酸酶作用下水解成 次黄苷和磷酸，或者AMP在核苷酸酶作用下水解成腺苷，再经腺苷脱氨 酶作用生成次黄苷。次黄苷经嘌吟核苷磷酸化酶(purine nucleoside phosphorylase, PNP)生成次黄嘌吟和1 -磷酸核糖。1 -磷酸核糖可转变成 5-磷酸核糖，进入磷酸戊糖途径或再合成PRPP。次黄嘌吟既可进入补救 途径，也可进一步分解，即次黄嘌吟在黄嘌吟氧化酶的催化下氧化成黄嘌 吟，在同一酶的催化下进一步氧化成终产物尿酸。而GMP分解生成的鸟 嘌吟氧化成黄嘌吟，再变成尿酸。腺苷脱氨酶(adenosine deaminase,ADA)基因缺陷是一种常染色体隐 性遗传病，由于基因突变造成酶活性下降或消失，常导致AMP，dAMP 和dATP蓄积，dATP是核糖核苷酸还原酶的别构抑制剂，能减少dGDP, dCDP和dTTP合成，从而DNA合成受阻。由于正常情况下淋巴细胞中腺 苷酸脱氨酶活性较高，当ADA基因缺陷时，可造成严重损害，导致细胞 免疫和体液免疫反应均下降，甚至死亡，即严重联合免疫缺陷症(severe combined immunodeficiency, SCID)。ADA 基因突变引起的 SCID 是第一个 进行基因治疗的病种，即在体外将正常的ADA基因转导患者的淋巴细胞， 再回输体内。PNP基因缺陷是一种罕见的常染色体隐性遗传病，纯合子PNP基因 缺陷的患儿表现为T细胞免疫缺陷。原因是PNP不能发挥正常作用，所 以患儿体内鸟苷、脱氧鸟苷、次黄苷及脱氧次黄苷浓度均增加，脱氧鸟苷 转化成dGTP，造成dGTP堆积，是核糖核苷酸还原酶的别构抑制剂，导 致dCDP及dCTP下降，最终DNA合成不足，影响胸腺细胞增殖，导致T 细胞免疫缺陷。可见嘌吟核苷酸的分解代谢的终产物为尿酸，后者经肾脏排泄。痛风 症(gout)患者由于血中尿酸含量升高，尿酸水溶性较差，形成的晶体沉 积于关节、软组织、软骨及肾等处，导致关节炎、尿路结石及肾疾病等， 痛风症多见于成年男性。原发性痛风症由于HGPRT活性降低，嘌吟碱不 能通过补救合成途径合成核苷酸再利用，即分解成尿酸。此外，大量PRPP 促使嘌吟的从头合成加快。继发性痛风症由于肾功能减退，尿酸排出减少。 治疗原则：用促进尿酸排泄的药物，或用抑制尿酸形成的药物。例如别嘌 吟醇(allopurinol)在体内氧化成别黄嘌吟，后者能与黄嘌吟氧化酶结合 成不可逆的复合物，所以别嘌吟醇是黄嘌吟氧化酶的强烈抑制剂。(二) 啶核苜酸的分解代谢嘧啶核苷酸的分解可先脱去磷酸及核糖，余下的嘧啶碱进一步开环分 解，最终产物为nh3、co2、p -丙氨酸及6 -氨基异丁酸，这些产物均易 溶于水，可随尿排出体外。第二节DNA的生物合成的几个原则遗传信息传递的中心法则:一、半保留复制Watson和Crick于1953年提出的DNA双螺旋模型，碱基互补配对的原 则，为DNA分子的复制提供了理论基础，即亲代的DNA双链，每股链都可 以作为模板，按碱基互补配对原则指导DNA新链的合成，这样合成的两个子 代DNA分子，碱基序列与亲代分子完全一样。但一条链是来自亲代的DNA 链，另一条链是新合成的链，此即为半保留复制(semiconservative replication) o 用15N标记亲代的DNA链，而用14N标记新